WO2008037301A1 - Sensor zur erfassung eines elektrischen potentials auf der haut - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Sensor (1) zur Erfassung von Änderungen des elektrischen Potentials auf der Haut (3) mit einer ersten Metallelektrode (7) und einer zweiten Metallelektrode (9), wobei die Metallelektroden (7, 9) zueinander beabstandet sind, wobei die Metallelektroden (7, 9) über eine Verbindung (11) elektrisch miteinander verbunden sind und wobei eine Messeinrichtung (13) an der Verbindung (11) vorgesehen ist. Die Aufgabe, einen Sensor (1) sowie ein Sensorsystem (33) zur Erfassung von Änderungen elektrischer Potentiale auf der Haut (3) bereitzustellen, die die Vorteile der kontaktlosen Messung haben und gleichzeitig keine Referenzpotentialelektrode auf der Haut (3) erfordern, wird dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung (13) ausgestaltet ist, einen zwischen den Metallelektroden (7, 9) fließenden Strom oder die geflossene Ladung zu bestimmen und ein Signal auszugeben, das von dem geflossenen Strom oder der geflossenen Ladung abhängt.

Description

Sensor zur Erfassung eines elektrischen Potentials auf der Haut

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Änderungen des elektrischen Potentials auf der Haut mit einer ersten Metallelektrode und einer zweiten Metallelektrode, wobei die Metallelektroden zueinander beabstandet sind, wobei die Metallelektroden über eine Verbindung elektrisch miteinander verbunden sind und wobei eine Messeinrichtung an der Verbindung vorgesehen ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Sensorsystem zur Erfassung von Änderungen des elektrischen Potentials auf der Haut.

Die Messung des elektrischen Potentials bzw. der elektrischen Feldstärke auf der Haut bildet die Grundlage für eine Vielzahl medizinischer Diagnoseverfahren. Beispielsweise kann auf diesem Wege die Herzfrequenz gemessen werden, oder es kann durch Verwendung einer Mehrzahl von Sensoren ein Elektrokardiogramm (EKG) aufgenommen werden, das sich aus dem zeitlichen Verlauf der Potentialdifferenzen zwischen unterschiedlichen Orten auf dem Körper eines Patienten ergibt. Mittels eines EKGs ist es möglich, auf der Basis des zeitlichen Verlaufs der Potentialdifferenzen auf der Haut Aussagen über die Eigenschaften und mögliche Erkrankungen des Herzens zu machen.

Bei herkömmlichen Messverfahren zur Messung des elektrischen Potentials auf der Haut wird dieses durch Elektroden erfasst, die in direktem elektrischen Kontakt mit der Hautoberfläche stehen, also eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Haut einerseits und der Elektrode andererseits besteht. Hierbei erweist es sich jedoch häufig als schwierig, einen hinreichend guten elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode und der Haut und damit dem Körper sicherzustellen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass das elektrische Potential immer in Bezug auf ein Referenzpotential gemessen werden muss, das an einem Punkt am Körper des Patienten erfasst wird, der beabstandet von den übrigen Messpunkten ist. Dies führt insbesondere bei einer EKG-Sensoranordnung dazu, dass diese Messpunkte über Kabel verbunden werden müssen, was zum einen zeitaufwendig und zum anderen für den Patienten unbequem ist.

Um das Problem der möglicherweise schlechten elektrischen Verbindung zur Haut zu vermeiden, sind Sensoren entwickelt worden, bei denen das Potential kontaktlos mittels Influenz erfasst wird. Ein solcher Sensor zur Messung eines elektrischen Potentials ohne direkten elektrischen Kontakt ist durch die US 6,961,601 offenbart, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Dabei wird das Potential auf der Haut durch eine erste Elektrode kapazitiv erfasst, wobei diese Elektrode gegenüber der Haut durch eine Isolationsschicht isoliert ist. Des Weiteren weist der Sensor eine zusätzliche Elektrode auf, die als Abschirmelektrode dient und deren elektrisches Potential im Verhältnis zu der eigentlichen Messelektrode eingestellt werden kann.

Hierbei taucht aber das Problem auf, dass zur Ausgabe von korrekten Signalen ein extrem hochohmiger und extrem kapazitätsarmer Verstärker erforderlich ist.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor sowie ein Sensorsystem zur Erfassung von Änderungen elektrischer Potentiale auf der Haut bereitzustellen, die die Vorteile der kontaktlosen Messung haben und gleichzeitig keine Referenzpotentialelektrode auf der Haut erfordern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung ausgestaltet ist, einen zwischen den Metallelektroden fließen- den Strom oder die geflossene Ladung zu bestimmen und ein Signal auszugeben, das von dem geflossenen Strom oder der geflossenen Ladung abhängt.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor wird anstatt des Potentials, das die erste Metallelektrode gegenüber einem Referenzpotential aufweist, der Strom bzw. die Ladung gemessen, der zwischen der ersten Metallelektrode und der zweiten Metallelektrode in Folge einer zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes fließt, das sich aufgrund des elektrischen Potentials auf der Haut ausbildet.

Der zwischen den Metallelektroden fließende Strom wird durch einen Influenzeffekt verursacht. Wird der Sensor in das elektrische Feld eingebracht, das sich aufgrund der Ladungen auf der Haut ausbildet, oder ändert sich diese Ladungsverteilung zeitlich, kommt es zu einer Ladungstrennung zwischen den Ladungen in der ersten Metallelektrode und denen in der zweiten Metallelektrode. Diese Ladungstrennung ist mit einem Strom- fluss zwischen den Metallelektroden verbunden, wobei die insgesamt geflossene Ladung ein Maß für die Änderung des elektrischen Feldes ist, das die Metallelektroden spüren.

Insgesamt ist also die zwischen den Metallelektroden fließende Ladungsmenge ein Maß für die Veränderung der Ladungsverteilung und damit der Veränderung des elektrischen Potentials auf der Haut. Somit kann durch Messen des Stroms zwischen den Metallelektroden eine Veränderung des elektrische Potentials erfasst werden, und es ist hierfür nicht notwendig, dass gleichzeitig an einem anderen Punkt ein Referenzpotential erfasst wird. Außerdem entfällt die Notwendigkeit, einen hochohmigen und kapazitätsarmen Verstärker verwenden zu müssen.

Ein derartiger Sensor kann insbesondere zur Messung der Herzfrequenz verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist die erste Metallelektrode an der der Haut bzw. dem Körper zugewandten Seite des Sensors angeordnet und weist zur Haut bzw. zum Körper hin eine Isolierschicht auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einem Anliegen der ersten Metallelektrode an der Haut- bzw. der Körperoberfläche kein galvanischer Kontakt zwischen der ersten Metallelektrode und der Haut besteht, der sowohl einen Influenzeffekt zwischen der Haut- bzw. Körperoberfläche und der ersten Metallelektrode und somit auch zwischen der ersten Metallelektrode und der zweiten Metallelektrode verhindern würde.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung so ausgestaltet, dass sie ein Signal ausgibt, das proportional zu der in einem Zeitintervall geflossenen Ladungsmenge zwischen den beiden Metallelektroden ist. Dies hat den Vorteil, dass das ausgegebene Signal proportional zu der in dem Zeitintervall aufgetretenen Änderung des elektrischen Feldes bzw. des elektrischen Potentials und damit der eigentlich zu erfassenden Größe ist. Hierbei kann die Messeinrichtung insbesondere einen Integrator aufweisen.

Bevorzugt sind die erste Metallelektrode und die zweite Metallelektrode jeweils flächenförmig ausgestaltet und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass der Sensor besonders sensitiv für ein aus der Haut austretendes elektrisches Feld ist. Dabei ist es auch möglich, dass die Metallelektroden gekrümmt, aber im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, so dass der Influenzsensor auf unebene Hautoberflächen bzw. Körperpartien angepasst werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den Metallelektroden ein Dielektrikum mit einer Permitivitätszahl größer als 1 angeordnet. Je größer die Permitivitätszahl ist, desto höher ist auch die aufgrund eines sich ändernden elektrischen Feldes zwischen den beiden Metallelektroden fließende Ladungsmenge und damit der von der Messeinrichtung erfasste Strom bzw. die erfasste Ladung, sodass sich das Signal-zuRausch-Verhältnis des ausgegebenen Signals verbessert. Als Dielektrikum kommt das Material K5000 in Frage, das von SCT Ceramics vertrieben wird und eine Permitivitätszahl von 3500 hat.

Bevorzugter Weise umfasst der Sensor eine drahtlose Übertragungseinrichtung, die im einfachsten Fall lediglich einen Sender aufweist. Dadurch können die Ausgangssignale der Messeinrichtung drahtlos an einen Empfänger übertragen werden, und die Notwendigkeit für eine Kabelverbindung entfällt, so dass sich die Bewegungsfreiheit des Patienten verbessert.

Vorteilhafter Weise sind die erste Metallelektrode, die zweite Metallelektrode und die Messeinrichtung in einem Gehäuse angeordnet, wobei ein solches Gehäuse in weiter bevorzugter Weise aus elektrisch isolierendem Material ist, da es sonst als ein Faradayscher Käfig gegenüber den Metallelektroden wirken würde und ein Influenzeffekt nicht möglich wäre, da der Innenraum sonst feldfrei bliebe.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Sensorsystem mit einer Mehrzahl von Sensoren und mit einer Auswerteeinheit gelöst, wobei die Sensoren wie zuvor beschrieben ausgebildet sind. Ein derartiges System ist mit den bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor beschriebenen Vorteilen verbunden.

Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise zur Differenzbildung der von den Messeinrichtungen ausgegebenen Signale ausgestaltet. Die Differenzen können als ein angenähertes EKG-Signal verwendet werden. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass zeitlich konstante Anteile im Potential auf der Haut aufgrund der Erfassung der zeitlichen Änderung der Feldstärken keinen Ein- fluss auf das jeweilige Ausgangssignal und somit auf das EKG- ähnliche Signal haben.

Ferner können die Sensoren einen Sender aufweisen, und die Auswerteeinheit kann einen Empfänger aufweisen, sodass in einfacher Weise ein drahtloses EKG-System ohne Referenzpotentialelektrode realisiert werden kann.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsformen zeigenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 1 zur Erfassung des elektrischen Potentials auf der Haut 3 schematisch dargestellt.

Insbesondere durch die elektrische Aktivität des Herzens wird ein zeitlich veränderliches elektrisches Potential auf der Haut 3 erzeugt, das bewirkt, dass sich auf der Hautoberfläche eine bestimmte Menge von Ladungsträgern .5 ansammeln. Aus der Messung dieser elektrischen Potentiale können beispielsweise die Herzfrequenz gemessen oder im Rahmen einer EKG-Messung Rückschlüsse über die Herzfunktion gezogen werden.

Der Sensor 1 umfasst eine erste Metallelektrode 7 und eine zweite Metallelektrode 9, die von der Haut 3 beabstandet und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Ferner sind die erste und die zweite Metallelektrode 7, 9 flächenför- mig ausgebildet. Weder die erste noch die zweite Elektrode 7, 9 haben direkten, also leitenden elektrischen Kontakt zur Haut 3, und die Metallelektroden 7, 9 sind über eine Verbindung 11 elektrisch miteinander verbunden, wobei eine Messeinrichtung 13 in der Verbindung 11 vorgesehen ist.

Die Messeinrichtung 13 ist ausgestaltet, einen zwischen den Metallelektroden 7,9 über die Verbindung 11 fließenden Strom oder die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen und an dem Ausgang 15 der Messeinrichtung 13 ein Signal auszugeben, das von dem geflossenen Strom bzw. der geflossenen Ladung abhängt, wobei im vorliegenden Fall ein Signal ausgegeben wird, das proportional zu der in einem Zeitintervall geflossenen Ladungsmenge ist.

In diesem insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Messeinrichtung 13 einen Operationsverstärker 17 und einen Kondensator 19 auf, sodass der Operationsverstärker 17 zusammen mit dem Kondensator 19 als Ladungsverstärker verschaltet ist und der über die Verbindung 11 geflossene Strom am Kondensator 19 aufsummiert wird, sodass die am Ausgang 15 ausgegebene Spannung zu der geflossenen Landungsmenge proportional ist. Damit ist die Messeinrichtung 13 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Integrator ausgebildet, und das ausgegebene Signal ist proportional zu der in einem Zeitintervall geflossenen Ladungsmenge. Sofern erforderlich, können hier Mittel zum zwischenzeitlichen Entladen des Kondensators 19 vorgesehen sein.

Wird der Sensor 1 in ein elektrisches Feld 21 eingebracht, das sich aufgrund der Ladungen 5 auf der Haut 3 ausbildet, erfolgt aufgrund des Influenzeffektes eine Ladungstrennung in den Metallelektroden 7, 9, sodass sich beispielsweise auf der Oberfläche der ersten Metallelektrode 7 negative und auf der Oberfläche der zweiten Metallelektrode 9 positive Ladungsträger ansammeln und sich zwischen den beiden Metallelektroden 7, 9 ein elektrisches Feld ausbildet, das dem äußeren elektrischen Feld 21 entgegengerichtet ist, sodass der Raum zwischen den Metallelektroden 7, 9 insgesamt feldfrei ist. Diese Ladungstrennung ist mit einem Stromfluss über die Verbindung 11 zwischen der ersten Metallelektrode 7 und der zweiten Metallelektrode 9 verbunden, wobei die insgesamt geflossene Ladungsmenge proportional zu dem äußeren elektrischen Feld 21 ist.

In gleicher Weise sorgt eine Änderung des elektrischen Feldes für einen Strompuls, und die geflossene Ladungsmenge ist proportional zur Änderung des elektrischen Feldes und damit auch ein Maß für die Änderung des Potentials auf der Haut 3.

Alternativ kann statt der Integrator-Anordnung aus Operationsverstärker 17 und Kondensator 19 auch ein anderer linearer Verstärker, z.B. ein Transimpedanzverstärker, zur Verstärkung bzw. Messung des Stromflusses verwendet werden. Hierbei ist das Ausgangssignal proportional zum geflossenen Strom.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor 1 wird somit anstatt des Potentials, das die erste Metallelektrode 7 gegenüber einem Referenzpotential aufweist, der Strom gemessen, der zwischen der ersten Metallelektrode 7 und der zweiten Metallelektrode 9 in Folge einer zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes fließt, das sich aufgrund des elektrischen Potentials auf der Haut 3 ausbildet. Damit entfällt die Notwendigkeit für eine Referenzelektrode und für einen hochohmigen und kapazitätsarmen Verstärker.

In dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die erste Metallelektrode 7 und die zweite Metallelektrode 9 flächenförmig und parallel zueinander angeordnet, so dass sich ein homogenes elektrisches Feld zwischen den beiden Metallelektroden 7, 9 ausbildet. In bevorzugter Weise können die Metallelektroden 7, 9 gekrümmt flächenförmig sein, damit sich der Sensor 1 an gekrümmte Abschnitte der Körperoberfläche bzw. an Körperpartien anpasst.

Wie Fig. 2 weiter entnommen werden kann, ist zwischen der ersten Metallelektrode 7 und der zweiten Metallelektrode 9 ein Dielektrikum 23 mit einer Permitivitätszahl größer als 1 angeordnet. Insbesondere kann es sich hierbei um das Material K5000 handeln, das von SCT Ceramics vertrieben wird und eine Permitivitätszahl von 3500 hat. Hierdurch wird die Ladungsmenge erhöht, die bei einem gegebenen äußeren Feld 21 zwischen den beiden Metallelektroden 7, 9 fließt, und somit auch das Eingangssignal an der Messeinrichtung 13. Dies sorgt für eine größere Empfindlichkeit des Sensors 1, da das für den Strom- fluss zwischen den Metallelektroden 7, 9 charakteristische Ausgangssignal größer und somit deutlicher ist. Schließlich ist die erste Metallelektrode 7 mit einer der Haut 3 zugewandten elektrische Isolierschicht 27 versehen.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Sensors 1 weist ferner ein Gehäuse 25 (schematisch dargestellt) auf, wobei das Gehäuse 25 elektrisch isolierend ist und keine elektrischen Felder abschirmt. Die Messeinrichtung 13 umfasst wiederum einen Operationsverstärker 17 und einen Kondensator 19, wobei in diesem Fall der Ausgang der Messeinrichtung 13 mit einem Sender 29 als drahtloser Übertragungseinrichtung verbunden ist, sodass das für den Stromfluss zwischen der ersten Metallelektrode 7 und der zweiten Metallelektrode 9 charakteristische Ausgangssignal des Sensors 1 an einen Empfänger 31 gesendet werden kann. Damit kann das Ausgangssignal drahtlos übertragen werden, und ein Patient wird nicht in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist nur der Sensor 1 in dem Gehäuse 25 angeordnet, während das von dem Sensor 1 ausgegebene Signal über ein Kabel zu einem Sender 29 geleitet wird, der sich außerhalb des Gehäuses 25 befindet. Hierdurch können Größe und Gewicht des in der Nähe der Haut 3 angeordneten Sensors 1 gering gehalten werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 33 dargestellt, das eine Mehrzahl von Sensoren 1, 1\ l^λ> und eine Auswerteeinheit 35 umfasst. Hierbei sind die Sensoren 1, l^λ, l^Λλgemäß dem in Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Ausführungsbeispiel ausgestaltet und weisen damit einen Sender 29 auf. Ferner sind die Sensoren 1, 1\ l^{Λ λ} auf verschiedenen Positionen des Körpers angeordnet und messen Änderungen von elektrischen Potentialen in der bereits beschriebenen Weise an der Position, an der sie sich befinden. Ihr Ausgangssignal wird mittels des Senders 29 an den Empfänger 31 geleitet, der mit der Auswerteeinheit 35 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 35 ist zur Differenzbildung der von den Messeinrichtungen 13 ausgegebenen Signale ausgestaltet, sodass durch Bildung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen zweier Sensoren 1, 1^Λ ein EKG-ähnliches Signal gewonnen werden kann. Vorteilhaft ist hieran, dass zeitlich konstante Anteile im Potential auf der Haut auf Grund der Erfassung der zeitlichen Änderung der Feldstärken keinen Einfluss auf das jeweilige Ausgangssignal und somit auf das EKG-ähnliche Signal haben.

Auf diese Weise kann auf einfache und schnelle Weise ein EKG- Signal erhalten werden, das ausreichend ist, um aufgrund des zeitlichen Verlaufs der Potentialdifferenzen auf der Haut Aussagen über die Eigenschaften und mögliche Erkrankungen des Herzens zu machen.

Durch die erfindungsgemäßen Sensoren 1, mit denen eine Veränderung des elektrische Potentials erfasst wird, ist es nicht notwendig, dass gleichzeitig ein Referenzpotential erfasst wird. Außerdem entfällt die Notwendigkeit, einen hochohmigen und kapazitätsarmen Verstärker verwenden zu müssen. Schließlich kann in einfacher Weise ein drahtloses Sensorsystem realisiert werden, das für den Patienten angenehm zu tragen ist.

Claims

Patentansprüche

1. Sensor zur Erfassung von Änderungen des elektrischen Potentials auf der Haut (3) mit einer ersten Metallelektrode (7) und einer zweiten Metallelektrode (9), wobei die Metallelektroden (7, 9) zueinander beabstandet sind, wobei die Metallelektroden (7, 9) über eine Verbindung (11) elektrisch miteinander verbunden sind und wobei eine Messeinrichtung (13) an der Verbindung (11) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (13) ausgestaltet ist, einen zwischen den Metallelektroden (7, 9) fließenden Strom oder die geflossene Ladung zu bestimmen und ein Signal auszugeben, das von dem geflossenen Strom oder der geflossenen Ladung abhängt .

2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Metallelektrode (7) an der der Haut zugewandten Seite des Sensors (1) angeordnet ist und zur Haut (3) hin eine Isolierschicht (27) aufweist .

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messeinrichtung (13) ausgestaltet ist, ein Signal auszugeben, das proportional zu der in einem Zeitintervall geflossenen Ladungsmenge ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, wobei die Messeinrichtung (13) einen Integrator aufweist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Metallelektrode (7) und die zweite Metallelektrode (9) flä- chenförmig ausgebildet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen den Metallelektroden (7, 9) ein Dielektrikum mit einer Permiti- vitätszahl größer als 1 angeordnet ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sensor (l)eine drahtlose Übertragungseinrichtung umfasst.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ wobei die erste Metallelektrode (7), die zweite Metallelektrode (9) und die Messeinrichtung (13) in einem Gehäuse (25) angeordnet sind.

9. Sensorsystem mit einer Mehrzahl von Sensoren (1, 1', 1") gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit einer Auswerteeinheit (35) .

10. Sensorsystem nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (35) zur Differenzbildung der von den Messeinrichtungen (13) ausgegebenen Signale ausgestaltet ist.

11. Sensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Sensoren

(1, I¹, I'¹) einen Sender (29) aufweisen und wobei die Auswerteeinheit (35) einen Empfänger (31) aufweist.

12. Verwendung eines Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Messung der Herzfrequenz.